Higgs-bósónið fannst við LHC Daniel Dominguez/CERN
Eftirfarandi er útdráttur úr Lost in Space-Time fréttabréfinu okkar. Í hverjum mánuði afhendum við einum eða tveimur eðlisfræðingum lyklaborðið til að segja þér frá heillandi hugmyndum frá sínu horni alheimsins. Þú getur skráð þig í Lost in Space-Time hér.
Fyrir tíu árum, 4. júlí 2012, var ég bæði ánægður og undrandi yfir uppgötvuninni sem var tilkynnt heiminum. Samstarf CMS og ATLAS hjá CERN Large Hadron Collider voru nú vissir um – Higgs-bóninn var raunverulegur. Ég var hluti af CMS (Compact Muon Solenoid) teyminu svo ég vissi að tilkynningin væri að koma, en að heyra opinberar yfirlýsingar staðfesta að það var spennandi. Peter Higgs hafði sett fram tilgátu 50 árum áður að ögnin gæti verið síðasta hlutinn sem vantaði í staðlaða líkanið í eðlisfræði agna. Eftir áratuga veiði á honum staðfestum við tilvist þess og að það er nýtt kraftasvið, Higgs-reiturinn, sem gegnsýrir allt geiminn. Með víxlverkun Higgs-bósóna við þetta Higgs-svið ná frumagnir sínum massa. Því sterkari sem þeir hafa samskipti við sviðið, því meiri massa þeirra.
Með þessu ári áratugsafmæli, ég hef verið að velta því fyrir mér hvert Higgs-bósoninn mun leiða okkur næst. Þrátt fyrir að stöðluðu módelpúsluspilið sé nú lokið, teljum við eðlisfræðingar að það sé ófullkomin lýsing á alheiminum, stykki af stærri kosmískri púsluspili. Staðlaða líkanið lýsir því hvernig hlutir og agnir hafa samskipti við rafsegulmagnið, veika kjarnakraftana og sterka kjarnakrafta, en við höfum ekki enn tekist að taka þyngdarafl inn í þessa mynd. Staðlaða líkanið segir heldur ekkert um hulduefnið sem er 85 prósent af efninu í alheiminum eða myrkuorkuna sem við teljum að stuðli að hröðun útþenslu alheimsins.
Higgs-bósóninn gæti verið besta tólið okkar til að brjóta nokkrar af þessum þrautum. Þökk sé háorkutilraunum á CERN gæti það verið áttaviti til að sigla um þetta óþekkta landsvæði nýrrar eðlisfræði. Það er að segja að hlutirnir fari að breytast.
ATLAS- og CMS-tilraunirnar hafa verið að greiða í gegnum mikið magn af orkumiklum gögnum um Higgs-bósoninn, en hingað til hafa þær ekki leitt í ljós neitt óvænt. Við höfum mælt marga þætti Higgs-bósonsins, svo sem massa þess, snúning og tengingar við aðrar agnir, sem allar eru í samræmi við það sem staðlaða líkanið spáir fyrir um.
Hins vegar er einn mikilvægur þáttur í Higgs-bóninum sem enn er margt ólært um: sjálfsverkun Higgs bósonsins. Staðlaða líkanið spáir því að frumeindir fái massa sinn úr samskiptum sínum við Higgs-sviðið og Higgs-bósónið er ekkert öðruvísi. Það hefur víxlverkun við Higgs-sviðið til að ná mældum massa sínum upp á 125 GeV/c 2 . Stærðirnar sem lýsa sjálfsvíxlverkun Higgs bósonsins eru spáð fyrir um af staðlaða líkaninu og öll frávik frá væntingum myndu gefa til kynna nýja eðlisfræði. Ein leið til að rannsaka sjálfssamspil Higgs bósónsins er í gegnum ferli sem kallast tvöföld Higgs framleiðslu, eða Higgs para framleiðslu, þar sem tvö Higgs bósón eru framleidd í sama ferli.
Því miður er hraðinn sem Large Hadron Collider getur framleitt Higgs bósónpör samkvæmt stöðluðu líkaninu mjög, mjög lítill – um þúsund sinnum minni en hraðinn sem ein Higgs bósón eru framleidd á. Hraðinn er í raun svo lítill að við myndum ekki geta framleitt nógu mörg Higgs pör í Large Hadron Collider til að leggja fram nægar sannanir fyrir uppgötvun tvöfaldrar Higgs framleiðslu.
Í aðra vídd
Hins vegar, ef staðlaða líkanið er rangt, gæti það líka verið hraðinn sem þessi Higgs-bósonpör eru framleidd á. Ein forvitnileg ný atburðarás umfram staðlaða líkanið er sú auka víddir tímarúms. Ef þeir eru til, gæti hraða tvöfaldrar Higgs framleiðslu aukist, sem gerir það mögulegt að við gætum mælt ferlið við Large Hadron Collider. Við myndum ekki vera meðvituð um þessar aukavíddir á sama hátt og maur sem er bundinn við blað upplifir aðeins tvær víddir (vinstri-hægri, áfram-aftur). Það gerir sér ekki grein fyrir því að tvívítt pappírsblað hennar er til í hærra, þrívíðu rými. Við gætum uppgötvað að við erum í ætt við maur sem ganga á þrívíðu plani í hærri víddar alheimi.
Þessar aukavíddir gætu útskýrt gífurlegan mun á styrkleika þyngdaraflsins og kraftanna sem mynda staðlaða líkanið (rafsegulkrafturinn, veika og sterki krafturinn). Í kenningunni um skekktar aukavíddir eru til tvær „bránar“ – lægri víddarheimar sem eru felldir inn í hærri víddarrými. Hið fyrra er þrívíddarheimurinn okkar, þar sem við og agnir staðlaða líkansins erum til. Annað er þar sem agnir sem kallast þyngdarafl sem flytja þyngdarkraftinn eru einbeittar en ekki bundnar. Þyngdarkraftar geta einnig gegnsýrt „magn“ rýmið í hærri víddum á milli tveggja brana.
Veikleiki þyngdaraflsins getur stafað af því að það er í raun þynnt þar sem það gegnsýrir um allar aukavíddirnar. Skekkja rýmisins með hærri víddum eykur mjög mikinn mun á orkukvarða.
Að framleiða fleiri tvöföld Higgs-bósón í Large Hadron Collider gæti einnig gefið vísbendingar um þyngdaraindi. Í kenningum um aukavíddir myndu gríðarmiklir þyngdarpunktar rotna í Higgs pör, sem myndu síðan rotna í staðlaðar líkanagnir. Þyngdarkrafturinn gæti rofnað niður í aðrar gerðir staðlaðra líkanaagna, sem gefur okkur fleiri leiðir til að rannsaka þetta fræðileg ögn.
Auk þess að gefa okkur innsýn í aukavíddir, getur tvöföld Higgs framleiðsla einnig veitt glugga inn í endanlega örlög alheimsins okkar. Fyrst skulum við stíga skref til baka og skilja „tómarúmið“ sem myndar alheiminn okkar. Í skammtaeðlisfræði er „tómarúmið“ lægsta orkuástand kerfis en er ekki endilega tómt eins og við getum venjulega ímyndað okkur. Reyndar, frá sjónarhóli skammtaeðlisfræðinnar, er tómarúmsástand alheimsins okkar fullt af sýndar-agna-mótagnapörum sem skjótast inn og út úr tilverunni. Venjulega, nema það sé líkamleg ögn sem situr á tilteknum stað í geimnum, hefur sviðið sem tengist þeirri ögn meðalgildi, kallað tómarúmsvæntingargildi, sem er núll. Hins vegar er það ekki satt fyrir Higgs sviðið, sem hefur ekki núll tómarúm væntingargildi. Þetta gefur til kynna að tómarúmið sé fullt af Higgs bónum.
Tómarúmsvæntingargildi Higgs bósonsins sem ekki er núll er vegna óvenjulegrar lögunar möguleika Higgs sviðisins. Í eðlisfræði ákvarðar hugsanleg virkni þróun kerfis. Til dæmis, the Þyngdarkraftur í kringum massamikinn líkama ákvarðar hvernig aðrir massamiklir hlutir í kringum hann munu hafa samskipti við hann. Þyngdarkrafturinn í kringum kúlulaga massa mun hafa lögun skál, með lágmarkið í miðju þess. Ef þú myndir missa marmara í þessum möguleika myndi hann rúlla í átt að miðjunni. Aftur á móti hefur Higgs-mögulega aðgerðin óvenjulega lögun sem er meira eins og botninn á vínflösku – ef þú myndir sleppa marmara í hana myndi marmarinn rúlla niður hliðarnar og falla í lægsta punktinn í hringnum umhverfis miðja.
Í alheiminum okkar hefur Higgs marmarinn stöðvast á tilteknum stað, en sá punktur er kannski ekki stöðugur. Við köllum þetta fyrirbæri metastability og það hefur mikilvægar afleiðingar fyrir endanlega örlög alheims okkar. Það þýðir að skammtasveiflur gætu valdið því að alheimurinn okkar fari í annað ástand, sem leiðir til þess að óþekkjanlegur heimur hlýðir allt öðrum eðlisfræðilögmálum. Nákvæmari mælingar á Higgs-bósóninu og öðrum ögnum gætu hjálpað okkur að komast að því nákvæmlega hversu stöðugt okkar alheimurinn er.
Frekar en að loka kafla í eðlisfræði agna, hefur uppgötvun Higgs-bósónsins opnað nýjan kafla, sem hóf endurnýjað könnunartíma á hæstu orkumörkum. Í júlí á þessu ári hófst hlaup 3 af Large Hadron Collider, með róteinda-róteinda árekstrum á hærra orkustigi en nokkru sinni fyrr. Gögnin sem við söfnum úr þessari keyrslu munu gera okkur kleift að kanna þessa spennandi möguleika frekar, sem og margar aðrar hugsanlegar nýjar eðlisfræðisviðsmyndir. Large Hadron Collider verður uppfærður eftir nokkur ár í High-luminosity Large Hadron Collider, sem mun rekast á róteindir á mun meiri hraða og veita enn meiri gögn á styttri tíma. Þetta gerir okkur kleift að mæla framleiðslu Higgs para og sjálfstengingu Higgs og vonandi skilja betur örlög alheimsins okkar.
Toyoko Orimoto er tilraunaeðlisfræðingur við Northeastern háskólann í Boston, Massachusetts, sem vinnur að grundvallarspurningum um alheiminn.
